Vì nhu cầu thiết thực trên nên luận văn này tập trung nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống vận chuyển qua nhiều trạm phục vụ việc vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, nhà kho, … bằng
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài
Ngày nay, vấn đề vận chuyển và phân phối các sản phẩm trong các kho hàng, nhà máy, bệnh viện, … ngày càng được quan tâm và phát triển Các hệ thống tự động thay thế việc làm cho con người nhằm giảm chi phí quản lý, sai sót trong quá trình hoạt động Vì thế luận văn đưa ra tổng quan về các phương pháp vận chuyển và quy trình vận chuyển hiện tại Kế tiếp là so sánh, đưa ra các hướng đi cho luận văn và các vấn đề cần giải quyết
1.1.1 Quy trình vận chuyển hàng hóa trong các nhà kho, công xưởng
Nhận hàng là quá trình nhập kho đầu tiên và là một trong những khâu quan trọng nhất Để thực hiện đúng quy trình nhận hàng, nhà kho phải có khả năng xác minh rằng họ đã nhận được đúng sản phẩm, đúng số lượng, đúng tình trạng và đúng thời điểm Nếu không làm như vậy sẽ có ảnh hưởng đến tất cả các hoạt động tiếp theo
Việc nhận hàng cũng liên quan đến việc chuyển giao trách nhiệm đối với hàng hóa đến kho Điều này đặt ra trách nhiệm của nhà kho trong việc duy trì tình trạng của hàng hóa cho đến khi chúng được vận chuyển Nhận hàng đúng cách sẽ cho phép bạn lọc ra những hàng hóa bị hư hỏng và tránh được trách nhiệm đối với chúng Để tối ưu hóa trong việc nhận hàng, giúp nhận hàng một cách hiệu quả, chính xác và tránh tích tụ tại các bến nhận hàng Các giải pháp như xe nâng điện và băng tải sẽ cho phép việc bốc dỡ hàng hóa và dọn dẹp các khu cảng hàng nhanh hơn và hiệu quả hơn Ngoài ra, có thể áp dụng máy đo kích thước tự động để tự động hóa việc nắm bắt kích thước của bưu kiện và pallet để tăng tốc quá trình nhận hàng
1.1.1.2 Giai đoạn di chuyển hàng đến nơi lưu trữ
Giai đoạn này là quy trình thứ hai trong kho và là quy trình di chuyển hàng từ bến nhận hàng đến vị trí lưu kho tối ưu nhất Việc không đặt hàng hóa ở vị trí lý tưởng nhất của chúng có thể làm giảm năng suất hoạt động của nhà kho Khi hàng hóa được cất đi đúng cách sẽ có các lợi ích [2]:
- Hàng hóa được lưu trữ nhanh hơn và hiệu quả hơn
- Thời gian vận chuyển được giảm thiểu
- Đảm bảo an toàn hàng hóa và nhân viên
- Việc sử dụng không gian nhà kho được tối đa hóa
Việc ứng dụng phần mềm quản lý không gian tự động giúp tối ưu hóa quy trình di chuyển hàng hóa trong kho Các phần mềm này có khả năng chỉ định không gian lưu trữ tối ưu cho từng loại hàng, giúp đảm bảo hàng hóa được xếp dỡ hợp lý và tối đa hóa không gian sử dụng Nhờ đó, doanh nghiệp có thể dễ dàng và nhanh chóng hơn trong việc tìm kiếm, theo dõi và truy xuất hàng hóa.
Hình 1.1 Lưu trữ hàng hóa theo các giá [1]
Lưu trữ là giai đoạn mà hàng hóa được đặt vào không gian lưu trữ thích hợp nhất của chúng Khi được thực hiện đúng cách quy trình lưu trữ sẽ tối đa hóa không gian sẵn có trong nhà kho và tăng hiệu quả lao động
Việc tối ưu hóa quy trình lưu trữ chỉ có thể thực hiện được khi các KPI phù hợp được theo dõi đúng cách Việc có một phần mềm tự động thực hiện tính toán việc sử dụng kho lưu trữ và theo dõi KPI lưu trữ phù hợp sẽ cho phép công ty xác định được mức độ hiệu quả của từng khía cạnh trong quy trình lưu trữ
Bốc hàng là giai đoạn thu thập các sản phẩm trong kho để thực hiện đơn đặt hàng của khách hàng Vì đây là quy trình tốn kém nhất trong kho hàng, chiếm tới 55% tổng chi phí hoạt động, nên việc tối ưu hóa quy trình này sẽ cho phép các công ty giảm chi phí đáng kể và tăng hiệu quả sử dụng kho hàng của mình Việc hợp lý hóa quy trình này cũng nên tập trung vào việc đạt được độ chính xác cao hơn, vì sai sót có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sự hài lòng của khách hàng [1] Để cải thiện việc bốc hàng, các công nghệ như thiết bị di động hoặc các thiết bị điện tử cho phép nhân viên bán hàng xem danh sách sản phẩm để giao cho khách, truy cập hệ thống thời gian thực và quản lý được mọi hàng hóa trong kho, từ đó chọn phương pháp lấy hàng phù hợp với từng loại sản phẩm và sử dụng phần mềm để hướng dẫn nhân viên thực hiện đúng quy trình lấy hàng
Đóng gói là quy trình tổng hợp các mặt hàng theo đơn đặt hàng và chuẩn bị vận chuyển cho khách hàng Nhiệm vụ chính của đóng gói là bảo vệ hàng hóa giảm thiểu hư hỏng khi rời khỏi kho Bên cạnh đó, bao bì phải nhẹ để không làm tăng trọng lượng hàng, tiết kiệm chi phí đóng gói nhưng vẫn đảm bảo an toàn cho hàng hóa bên trong.
Việc tối ưu quy trình đóng gói có thể thực hiện thông qua phần mềm hỗ trợ người dùng thực hiện các nhiệm vụ Nếu hệ thống đóng gói có đầy đủ dữ liệu cần thiết như kích thước, trọng lượng, hệ thống có thể tự động xác định loại và số lượng vật liệu đóng gói giúp đảm bảo an toàn cho mặt hàng với chi phí đóng gói tiết kiệm.
Việc vận chuyển hàng cho khách là quá trình cuối cùng của việc xuất – nhập hàng hóa trong kho, là nơi bắt đầu hành trình vận chuyển hàng hóa từ kho đến tay khách hàng Việc vận chuyển chỉ được coi là thành công nếu đơn hàng được sắp xếp và tải đúng, được gửi đến đúng khách hàng, đi đúng phương thức vận chuyển và được giao một cách an toàn và đúng giờ [1] Để đảm bảo việc chuyển hàng cho khách, cần thiết lập một phần mềm gán từng mã khách hàng lên các lô hàng của khách hàng đó, nhằm giảm thiểu việc giao lộn hàng và đưa ra hướng dẫn chỉ dẫn rõ ràng cách xếp hàng an toàn và hiệu quả đối với từng lô, từng loại sản phẩm của khách
1.1.2 Những phương pháp vận chuyển hàng hóa
Dựa trên quy trình vận chuyển hàng hóa trong nhà kho như đã trình bày ở trên Sau đây là các hình thức vận chuyển đang được sử dụng trong nhà kho
1.1.2.1 Vận chuyển bằng xe đẩy hàng
Xe đẩy hàng là công cụ hỗ trợ đắc lực trong việc vận chuyển hàng hóa Chúng được sử dụng phổ biến ở nhiều nơi như bệnh viện, trường học, nhà hàng, bến xe, bến tàu, công xưởng Tuy nhiên, khi sử dụng trong các nhà kho rộng lớn của các xí nghiệp lớn, xe đẩy hàng bộc lộ nhiều hạn chế.
- Tốc độ di chuyển thấp
- Lượng hàng hóa vận chuyển mỗi lần không cao
- Có nguy cơ hàng rơi khỏi xe khi vận chuyển
1.1.2.2 Sử dụng băng tải, băng chuyển
Hình 1.2 Vận chuyển hàng bằng băng chuyền [3]
Băng chuyền công nghiệp là thiết bị vận chuyển hàng hóa, vật liệu phục vụ nhu cầu sản xuất, vận chuyển vật liệu khối lượng lớn, cồng kềnh, đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí Ưu điểm của băng chuyền công nghiệp là khả năng vận chuyển vật liệu trên mọi khoảng cách, độ bền cao, đảm bảo an toàn và đạt năng suất cao trong quá trình sản xuất.
- Vận chuyển hàng hóa với khối lượng rất lớn
- Tính cơ động ở nhiều loại địa hình cộng với sự chắc chắn trong cấu trúc
- Vận chuyển được liên tục, tiết kiệm được thời gian và nhân công
- Có thể nâng hạ được, cho phép hàng hóa di chuyển từ thấp đến cao hoặc ngược lại
- Không vận chuyển được theo đường cong, cần bố trí thêm động cơ và khung băng để đổi hướng
- Khó thay đổi vị trí công tác
- Thiết kế chỉ để phục vụ công việc có khối lượng đã chọn sẵn
Xe tự hành AGV là loại phương tiện không người lái được sử dụng phổ biến trong các nhà xưởng, dây chuyền sản xuất, hệ thống kho vật tư, kho sản phẩm và kho hàng hóa để di chuyển vật liệu hiệu quả.
AGV giúp thay thế các phương tiện trong chuỗi cung ứng vật liệu vận hành thủ công như xe nâng tay, xe nâng forklift, xe đẩy tay, xe kéo, …
Hình 1.3 Vận chuyển bằng AGV [4] Ưu điểm:
- Vận chuyển hàng hóa với khối lượng rất lớn
- Linh hoạt với các điểm giao - nhận
- Cần không gian hoạt động lớn
- Khó di chuyển giữa các toà nhà
- Chi phí đầu tư ban đầu cao
Các khái niệm về quản lý hệ thống vận chuyển
Mặc dù luận văn hướng tới đối tượng là xe tự hành theo ray dẫn nhưng vẫn cần tuân theo một số yêu cầu khi quản lý xe tự hành (AGV)
1.2.1 Khái niệm về quản lý xe tự hành
AGV/OHT giúp giảm thiểu nguồn nhân lực, chi phí lao động và tăng năng suất cho khâu sản xuất cũng như vận chuyển Từ những thuận lợi đó, AGV ngày càng chiếm vị trí quan trọng lĩnh vực vận chuyển thúc đấy sự nghiên cứu và phát triển về AGV ngày càng nhiều
Khi công việc vận chuyển bắt đầu, các mốc thời gian khi AGV thực hiện một công việc bao gồm:
- Full travel time: Tổng thời gian chạy có tải của AGV (loading time) từ lúc AGV ở vị trí nhận hàng và di chuyển đến vị trí mong muốn
- Empty travel time: Tổng thời gian chạy không tải của AGV (unloading time) từ vị trí hiện tại của AGV di chuyển vị trí nhận hàng
- Blocking time: Thời gian AGV bị chặn bởi các AGV khác khi di chuyển
- Working time: Tổng thời gian cho AGV hoàn thành công việc bao gồm: Full travel time, empty travel time, blocking time, waiting time
- Idle time: Thời gian nhàn rỗi của AGV chờ đến khi nhận nhiệm vụ mới
Dựa vào các mốc thời gian của AGV khi thực hiện công việc, việc quản lý AGV là cần thiết đối với các hệ thống vận hành đòi hỏi nhiều AGV thực hiện cùng lúc Hệ thống cần có đáp ứng các yêu cầu sau:
- Khả năng dẫn hướng các AGV
- Quản lý giao thông để tránh deadlock xảy ra
- Xác định số lượng AGV cần thiết khi thực hiện tác vụ
- Điều phối AGV hợp lý để thực hiện tác vụ
- Hoạch định đường đi và lên lịch trình cho AGV
Hình 1.13 Một số trường hợp deadlock [11]
Tình trạng tắc nghẽn xảy ra khi các AGV bị chặn nhau và không thể di chuyển Để giải quyết vấn đề này, có thể thay đổi tuyến đường của AGV hoặc dự đoán và tránh tắc nghẽn Do hiệu suất thấp nên giải pháp dự đoán và tránh tắc nghẽn thường được triển khai trong các hệ thống.
3 cách thường dùng để tránh deadlock xảy ra [11]:
- Xây dựng layout tránh deadlocks và va chạm giữa các AGV
- Phân vùng làm việc thành nhiều vùng không bị trùng với nhau
- Giải thuật hoạch định và lên lịch trình cho AGV di chuyển để tránh deadlocks và va chạm xảy ra
Việc tránh deadlocks và va chạm xảy ra cần được tính toán cẩn thận Vì khi có sự cố xảy ra, hệ thống buộc phải dừng lại gây ảnh hưởng đến toàn bộ năng suất của hệ thống Giải thuật hoạch định và lên lịch trình cho AGV di chuyển sẽ được xem xét ở phần sau
Số lượng AGV tối thiểu cần cho hệ thống phải được xác định để các tác vụ được thực hiện có hiệu quả Khi số lượng AGV quá nhiều có thể dẫn đến tắc nghẽn giao thông Việc xác định số lượng AGV tối thiểu cần xem xét các yếu tố như sau [12]:
- Số tác vụ cần được thực hiện
- Các tác vụ có thể hoặc cần được thực hiện tại một thời điểm
- Khả năng tải của AGV
- Chi phí của hệ thống
- Số vị trí pick-up và delivery
Một số phương pháp xác định số lượng AGV:
- Đánh giá dựa trên tổng thời gian Working của AGV Tăng dần số lượng AGV cho đến khi thời gian thu được là hằng số
- Giảm thiểu Empty travel time hoặc Blocking time
- Giảm thiểu Idle time và Waiting time
Hệ thống đóng vai trò trung tâm để thực hiện việc điều phối AGV (Dispatching) với mục tiêu đảm bảo việc điều phối AGV hợp lý để nâng cao hiệu quả công việc Một hệ thống có thể được vận hành bởi nhiều AGV và nhiều vị trí trung tâm nơi các AGV cần di chuyển đến để thực hiện tác vụ (workcentre) Dispatching là luật được sử dụng để lựa chọn AGV phù hợp nhất để thực hiện tác vụ vận chuyển, bao gồm 2 vấn đề cần được xem xét [12]:
- Khi một workcentre sẵn sàng thực hiện tác vụ, AGV phù hợp sẽ được chỉ định để thực hiện tác vụ đó (workcentre initiated dispatching)
- Khi AGV chuyển sang trạng thái nhàn rỗi (idle), một workcentre phù hợp sẽ được chọn để AGV di chuyển đến và thực hiện tác vụ (vehicle initiated dispatching)
Các luật có thể áp dụng khi chỉ định AGV làm việc:
- Chọn AGV có khoảng cách xa nhất so với workcentre
- Chọn AGV có khoảng cách gần nhất so với workcentre
- Chọn AGV có thời gian nhàn rỗi dài nhất
- Chọn AGV ít được sử dụng nhất
Các luật có thể áp dụng cho vehicle initiated:
- Chọn ngẫu nhiên workcentre cho AGV sẵn sàng thực hiện tác vụ
- Chọn workcentre có khoảng cách ngắn nhất so với AGV hoặc thời gian di chuyển của AGV nhỏ nhất
- Chọn workcentre có số lượng tác vụ cần thực hiện nhiều nhất
- First-come-first-serve: Chọn workcentre có yêu cầu thực hiện tác vụ trước
Sau khi hệ thống xác định AGV phù hợp cho nhiệm vụ, AGV sẽ được lập kế hoạch lộ trình và lên lịch trình di chuyển để tránh tình trạng bế tắc và va chạm.
Hoạch định tuyến đường hay còn gọi là routing có nhiệm vụ xác định các tuyến đường có thể di chuyển cho AGV từ vị trí hiện tại đến vị trí mong muốn Routing được chia thành 2 loại [12]:
- Static algorithm: Tuyến đường sẽ được xác định trước và sẽ luôn được sử dụng khi một AGV mong muốn di chuyển từ điểm 𝑖 đến 𝑗
- Dynamic algorithm: Tuyến đường được xác định dựa trên thông tin thời gian thực vì thế sẽ có nhiều tuyến đường để lựa chọn cho AGV di chuyển
Ngoài ra Dynamic algorithm có thể được thực hiện bằng 2 cách:
- Complete route planning: Lên lịch trình cho toàn bộ tuyến đường di chuyển duy nhất một lần
- Incremental route planning: Tuyến đường được lên lịch trình thành các phân đoạn khác nhau cho đến khi AGV di chuyển đến vị trí mong muốn
Việc lên lịch trình hay còn gọi là scheduling bao gồm thời gian đến và đi của AGV khi đi qua các đoạn đường khác nhau bao gồm các vị trí nhận (pick-up), giao (delivery) hay ở các giao lộ để tránh deadlock và vạ chạm xảy ra.
Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn
1.3.1 Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu chính của đề tài hướng đến nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển có nhiều trạm với mục tiêu cụ thể là thiết kế đường dẫn hướng, ước lượng số lượng phương tiện cần thiết và quy tắc điều phối để kiểm soát hệ thống để đạt được hiệu quả cao nhất và giảm thiểu thời gian hoàn thành công việc
- Tìm hiểu các hệ thống vận chuyển nhiều trạm đang được sử dụng
- Tìm hiểu tình hình nghiên cứu các đề tài liên quan
- Xây dựng sa bàn ray dẫn đối với một trường hợp cụ thể
- Xác định số lượng phương tiện cần thiết dựa trên nhu cầu vận chuyển hàng hóa và sa bàn đã xây dựng
- Xây dựng giải thuật điều phối công việc để giảm tổng thời gian thực hiện công việc
- Phân tích dữ liệu mô phỏng được để đánh giá kết quả
Để tối ưu hóa hệ thống vận chuyển trong kho hàng có kích thước 30m x 20m, việc thiết kế sa bàn là cần thiết Sa bàn sẽ giúp mô phỏng hoạt động của 8 trạm trung chuyển, cho phép quan sát và đánh giá khả năng xảy ra va chạm giữa các xe Qua đó, các nhà quản lý có thể xác định được tính hiệu quả của thuật toán điều khiển hệ thống, đảm bảo hoạt động vận chuyển diễn ra trơn tru và an toàn.
ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
Tình hình nghiên cứu đề tài liên quan
Hiện nay các đề tài về thiết kế và điều khiển hệ thống AMHS trên đường dẫn thường đề cập tới các 3 vấn đề chính như sau: thiết kế đường dẫn hướng, ước tính số lượng phương tiện và kiểm soát phương tiện trong quá trình vận hành [13]
2.1.1 Thiết kế hệ thống ray dẫn Đây là vấn đề quan trọng đầu tiên được xem xét khi thiết kế một hệ thống tự hành vì nó phụ thuộc vào không gian, điều kiện bố trí mặt bằng Hơn nữa đây là yếu tố quyết định đến các thuật toán điều khiển vì xác định chiều di chuyển, phương thức giao – nhận hàng hóa của hệ thống
Hướng di chuyển của phương tiện là khả năng di chuyển trên một ray dẫn hướng cụ thể trên một hoặc hai chiều “Unidirectional” là khả năng di chuyển một chiều, phương tiện có thể phải di chuyển một khoảng xa hơn giữa hai điểm nhưng chúng giúp dễ điều khiển và hạn chế được các tình huống xung đột, tranh chấp [14] Ngược lại với những đặc điểm của di chuyển một chiều thì di chuyển hai chiều giúp giảm thời gian di chuyển nhưng đòi hỏi phải kiểm soát được tốt và phải có nhiều đường tránh né để giải quyết các khả năng xung đột và xảy ra va chạm
Hình 2.1 Các kiểu di chuyển trên ray dẫn 2.1.1.2 Kiểu di chuyển
Một số tiêu chí phổ biến để đánh giá hệ thống dẫn hướng:
- Giảm thiểu quãng đường di chuyển của phương tiện ứng với sa bàn cụ thể [14]
- Tổng thời gian di chuyển theo nghiên cứu của Lim và cộng sự (2002)
- Đánh giá hiệu suất của số phương tiện cần thiết trên một sa bàn cụ thể theo Talbot (2003) Để đạt được các tiêu chí như trên thì kiểu di chuyển là một yếu tố quan trọng Hiện nay các kiểu di chuyển được nghiên cứu gồm:
- “Conventional guide-path”: Các điểm trong hệ thống được nối với nhau, ngoài một hệ thống chính thì còn có các đường đi tắt, điểm giao nhau Hệ thống này đáp ứng khả năng di chuyển một chiều và hai chiều nhưng thông thường hệ thống một chiều được sử dụng phổ biến ở các trạm trung tâm và nhà kho Hệ thống hai chiều ít được sử dụng khi thiết kế hệ thống ray dẫn dạng này vì lý do khi hệ thống lớn sẽ trở nên phức rất phức tạp và khó kiểm soát [15]
- “Single-loop guide-path”: Các trạm chỉ là một vòng lặp mà không có đường đi tắt Bởi vì các phương tiện di chuyển trong một vòng khép kín vì thế chủ yếu sử dụng hệ thống di chuyển một chiều Và thông lượng của loại này thấp hơn so với
“Conventional guide-path”, muốn đạt được thông lượng như “Conventional guide-path” sẽ yêu cầu số lượng phương tiện nhiều hơn [16]
- “Tandem guide-path”: là một hệ thống gồm nhiều “Conventional guide-path” và
“Single-loop guide-path” được kết nối với nhau thông qua một trạm chuyển Một phương tiện di chuyển trong một vòng Có thể phải sử dụng nhiều phương tiện
Hình 2.3 Single-loop guide-path
Hình 2.4 Tandem guide-path tương ứng với nhiều vòng để di chuyển tới vị trí đích Và yêu cầu giữa các vòng phải có các trạm trung chuyển hàng hóa
Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc trưng theo các kiểu ray Đặc điểm Conventional Single-loop Tandem
Số phương tiện mỗi path Nhiều Nhiều 1
Hoạt động khi phương tiện di chuyển theo hai chiều
Quản lý phương tiện Khó Dễ Dễ Điều phối, lập lịch Phức tạp Dễ Dễ
Tắc nghẽn Nhiều Ít Không
Cần trạm chuyển Không Không Có
Bảng ưu, nhược điểm của các dạng trên:
Bảng 2.2 Ưu điểm và nhược điểm các kiểu ray Ưu điểm Nhược điểm
Conventional - Linh hoạt trong dẫn hướng di chuyển
- Giảm thiểu quãng đường di chuyển bằng các tuyến thay thế
- Giảm thiểu lỗi hệ thống
- Phức tạp cho việc điều khiển, tránh va chạm
Single-loop - Đơn giản trong việc điều khiển
- Tắc nghẽn được kiểm soát dễ hơn
- Không linh hoạt khi chọn tuyến di chuyển
- Dễ bị lỗi dạng hệ thống
- Bị tình trạng ngăn cản lẫn nhau trong di chuyển
Tandem - Không xảy ra tình trạng tắc nghẽn trong một nhóm
- Hiệu suất cao khi di chuyển cả hai hướng
- Cần nhiều trạm trống và trạm chuyển
- Một tác vụ phải được hoàn thành bởi nhiều phương tiện
- Tốn thời gian chuyển giữa các nhóm trạm
2.1.2 Xác định số lượng phương tiện
Ngoài dạng di chuyển là “Tanden” là chỉ 1 phương tiện trên 1 nhóm trạm thì đối với hai dạng còn lại thì việc tính toán số phương tiện cần thiết rất quan trọng vì nó liên quan tới chi phí thi công, chi phí hoạt động và hiệu suất đạt được Để đánh giá vấn đề này các nghiên cứu đã đưa ra các tiêu chí như sau [17]:
(1) Cách bố trí các đường dẫn hướng
(2) Vị trí của các trạm
Số lượng phương tiện được yêu cầu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khá như luật quản lý, quy tắc điều phối, bố trí đường ray Vậy để ước tính được số lượng phương tiện thì mô phỏng là phương pháp đáng tin cậy đối với các mô hình vận chuyển cần phân tích [17]
Theo Le-Anh và De Koster (2006) thì hệ thống điều phối có trách nhiệm đưa ra các quyết định khi [15]:
(1) Một phương tiện dỡ hàng
(2) Một phương tiện quay lại vị trí đỗ của nó
(3) Một phương tiện có tải trọng mới
Hiện nay có một số quy tắc điều phối dựa trên các tính chất: đơn thuộc tính (Single-attribute), đa thuộc tính (multi-attribute) và phân cấp (hierarchical)
- Luật điều phối theo đơn thuộc tính: chỉ phụ thuộc vào một thông số để xác định có thể là khoảng cách, trạm, thời gian chờ, …
- Luật điều phối theo đa thuộc tính: kết hợp nhiều thuộc tính để tăng tính linh hoạt trong việc điều phối và hiệu suất tốt hơn so với đơn thuộc tính (LA) Nhưng đi kèm là việc xử lý dữ liệu tăng lên đáng kể khi số lượng trạm và số lượng phương tiện tăng lên
- Luật điều phối theo phân cấp: thường được sử dụng trong các ngành sản xuất khi mà quá trình sản xuất ảnh hưởng tới quyết định điều phối
Sau đây là một đề tài nghiên cứu về các quy luật điều phối phương tiện và nhận xét đặc trưng của các quy luật này Điều phối theo dạng “Static vehicle dispatching”: Trong các quy tắc điều động phương tiện ở dạng này các quyết định về phân công công việc không được phép thay đổi sau khi chúng được thực hiện Các quy tắc điều phối dạng này chủ yếu sử dụng luật điều phối phân cấp Một số công trình đã nghiên cứu bao gồm:
- Egbelu và Tanchoco (1984) phân loại luật điều phối thành “workstation-initiated” và “vehicle-initiated” [17], sau đó đã thử nghiệm trong ba lĩnh vực bao gồm: phân phối linh kiện máy tính, nhà máy sản xuất đóng gói thủy tinh, và bên trung chuyển container đường biển Kết quả cho các quy luật dựa trên khoảng cách để đưa ra quyết định hoạt động tốt nhất đối với thời gian chờ trung bình, và hoạt động kém hiệu quả với thời gian chờ tối đa Để khắc phục vấn đề trên họ đã sử dụng quy tắc mới, phương tiện gần nhất được ưu tiên về thời gian Shortest Travel Time First (STTF)
Hu và cộng sự (2020) đã đề xuất một quy tắc phối hợp năm quy tắc điều phối thường dùng, bao gồm "FCFS", "STDF", "NJF", "EDD", "LWT" và "NVF" Quy tắc này kết hợp các nguyên tắc ưu tiên phục vụ theo thứ tự đến, khoảng cách di chuyển ngắn nhất, gần nhất có việc đầu tiên, ngày đến hạn sớm nhất, thời gian chờ lâu nhất và xe gần nhất đầu tiên Mô hình của họ được thiết kế để lựa chọn các quy tắc vận chuyển và phương tiện phù hợp dựa trên các tình huống cụ thể.
- Bằng cách kết hợp ưu điểm của quy tắc NJF và quy tắc LWT, Liao và Fu (2002) đã đề xuất quy tắc “Công việc gần nhất được sửa đổi” (MNJF) Khi một phương tiện trở nên nhàn rỗi, nếu tồn tại các công việc có thời gian chờ vượt quá hệ số thời gian xác định trước, thì công việc có thời gian chờ lâu nhất sẽ được chọn bằng cách áp dụng LWT [19] Nếu không, quy tắc NJF được thực thi Factorised Nearest Job First (FNJF) cũng là một quy tắc điều phối tổng hợp của NJF và LWT Nó chọn một công việc để vận chuyển dựa trên một hàm chi phí được xác định bởi thời gian chờ đợi cũng như khoảng cách giữa công việc và các phương tiện hiện có Điều phối theo dạng “Dynamic vehicle dispatching”: Ngược với quy tắc trên, các quy luật điều phối theo dạng “động” cho phép thay đổi các quyết định công việc, phương tiện một cách linh hoạt để thay đổi liên tục tình hình vận chuyển Các nghiên cứu đã thực hiện như:
Kết luận
Thông qua các đánh giá cơ bản về hệ thống AMHS ta có thể tóm tắt được những vấn đề sau:
- Ba vấn đề chính về thiết kế hệ thống AMHS thường xuyên hướng tới bao gồm: thiết kế đường dẫn hướng, ước tính số lượng phương tiện và các quy luật điều phối công việc trong hệ thống
- Đối với đường dẫn hướng, hai hệ thống được sử dụng nhiều nhất là
“conventional system” và “single loop system” vì nó thu được kết quả tốt trong các hệ thống nhỏ, mắc dù “tandem system” được sử dụng trong các hệ thống rất lớn
- Nhiều phương tiện được sử dụng cùng một lúc sẽ mang lại hiệu quả cao hơn khi chỉ sử dụng duy nhất một phương tiện, và số lượng phương tiện chủ yếu được xác định bằng mô phỏng
- Để điều phối hệ thống thì người ta thấy rằng các quy tắc điều phối dựa trên thời gian khởi tạo và dựa trên khối lượng công việc và dựa trên quãng đường được áp dụng nhiều nhất
- Để giải quyết các vấn đề trên thì việc xây dựng mô phỏng dựa trên các sự kiện rời rạc là công phục cù hợp nhất để mô hình hóa độ phức tạp của hệ thống AMHS.
Đề xuất mô hình nghiên cứu và phương pháp thực hiện
2.3.1 Đề xuất mô hình nghiên cứu
Thông qua kết luận ở mục trên luận văn đề xuất mô hình nghiên cứu bao gồm:
- Xây dựng sa bàn ray dẫn đối với một trường hợp cụ thể
- Xác định số lượng phương tiện cần thiết dựa trên nhu cầu vận chuyển hàng hóa và sa bàn đã xây dựng
- Xây dựng giải thuật điều phối công việc để giảm tổng thời gian thực hiện công việc
- Phân tích dữ liệu mô phỏng được để đánh giá kết quả
2.3.2 Phương pháp thực hiện Để có thể xây dựng được hệ thống thì cần phải chia thành các phần nhỏ để thực hiện bao gồm:
- Phân tích sa bàn, thiết lập dữ liệu hệ thống
- Xây dựng giải thuật điều phối công việc
- Xây dựng hoạch định đường đi tuyến đường
- Mô phỏng và đánh giá kết quả.
XÂY DỰNG GIẢI THUẬT VÀ MÔ PHỎNG
Quy trình
Đối với một phương tiện thì có 3 trạng thái chính khi thực hiện 01 công việc:
- Idle: là trạng thái mà phương tiện rảnh rỗi, không thực hiện bất kì một tác vụ nào, sẵn sàng nhận một công việc
- Retrieval: là trạng thái mà phương tiện đã được chỉ định công việc và đang di chuyển tới vị trí lấy hàng
- Delivery: là trạng thái phương tiện đã tới vị trí lấy hàng, tiếp nhận hàng hóa và đang di chuyển tới vị trí được yêu cầu, trả hàng
Quy trình chuyển trạng thái của một phương tiện từ khi có 01 công việc được yêu cầu cho tới khi công việc được hoàn thành bao gồm:
Idle Retrieval Loading Delivery Unloading Idle
Hình 3.1 Giai đoạn thực hiện công việc
1 Phương tiện từ trạng thái nhàn rỗi
2 Phương tiện được chỉ định thì có nhiệm vụ di chuyển tới vị trí nhận hàng với trạng thái là Retrieval
3 Tới vị trí giao hàng, phương tiện sẽ nhận hàng
4 Sau đó di chuyển tới vị trí giao hàng
5 Tới vị trí giao hàng thì chuyển qua giai đoạn dỡ hàng
6 Công việc hoàn tất thì trạng thái trở lại nhàn rỗi Idle
Khi quy trình bắt đầu, hệ thống sẽ tính toán và chọn phương tiện phù hợp nhất để thực hiện công việc hiện tại Phương tiện khi nhận nhiệm vụ ở bất kỳ đâu trên ray dẫn miễn là trạng thái của nó đang ở trình trạng Idle hoặc Retrieval Khi phương tiện nhận nhiệm vụ mới, hệ thống sẽ xác định vị trí cần giao hàng và kiểm soát phương tiện như đi, dừng, di chuyển ra khỏi vùng di chuyển của phương tiện khác trong quá trình hoạt động Việc lựa chọn phương tiện phù hợp sẽ dựa vào một số tiêu chí được nêu ở phần sau
Phương tiện sẵn sàng Điều phối công việc cho phương tiện
Hoạch định đường đi cho phương tiện
Thiết lập dữ liệu
3.2.1 Xây dựng các thông tin cần thiết Đối với mỗi công việc cần làm, lượng thông tin cần thiết cần được độc lập dữ liệu và có ID để truy suất các dữ liệu cần thiết Được mô tả chi tiết ở bảng dưới đây:
Bảng 3.1 Bảng mô tả dữ liệu cho công việc
ID Định danh công việc
Vị trí nhận hàng ID của trạm mà cần tới để lấy hàng
Vị trí giao hành ID của trạm mà cần đưa hàng tới
Thời gian khởi tạo Thời gian công việc được tạo
Trạng thái 0: Đang đợi lấy hàng
1: Đang tải hàng 2: Đã hoàn thành Danh sách các trạm ngoài các trường quan trọng như mã RFID để tạo tính độc lập về mặt dữ liệu nhằm định danh thì phải cần thêm trường ID để dễ dàng thống nhất và liên kết thông tin giữa các bảng dữ liệu Dưới đây là các trường dữ liệu cần thiết cho một trạm
Bảng 3.2 Bảng mô tả dữ liệu cho trạm
ID Định danh trạm, điểm dừng
Tên Đặt tên cho trạm
Toạ độ Vị trí tương đối, để thể hiện trên giao diện người dùng
ID của phương tiện ID của phương tiện đang nằm trên trạm Đối với mỗi phương tiện, ngoài tên để xác định địa chỉ thì phải cần thêm một biến ID để truy suất và tạo cho mỗi phương tiện có tính độc lập Bảng dưới đây thể hiện các dữ liệu cần thiết của một phương tiện
Bảng 3.3 Bảng mô tả dữ liệu cho phương tiện
ID Định danh phương tiện
Tình trạng Là tình trạng của xe bao gồm:
• Retrieval: Trạng thái đang đi lấy hàng
• Delivery: Trạng đang giao hàng
Vị trí hiện tại ID của trạm, nơi mà phương tiện đang ở đó
Vị trí mong muốn ID của trạm, nơi mà phương tiện muốn đi, thường là các vị trí nhận tải, giao hàng của công việc Nhiệm vụ Là ID nhiệm vụ đang được chỉ định cho phương tiện
Blocking time Tổng thời gian phương tiện bị block bởi các phương tiện khác Idle time Tổng thời gian nhàn rỗi của phương tiện
3.2.2 Xây dựng sa bàn Ứng với mặt bằng cần bố trí hệ thống thì cần một bảng dữ liệu về sa bàn tương ứng, tùy thuộc vào số lượng module xây dựng Nhưng một cách tổng quát sa bàn được khai báo dưới dạng ma trận như sau, với phần tử trong ma trận tương ứng với khả năng di chuyển từ trạm này tới trạm kia:
Bảng 3.4 Thông số sa bàn
Ví dụ: gọi X là ma trận sa bàn ta như trên ta có: X(1,2) = 2, tương ứng với khả năng di chuyển từ trạm 1 tới vị trí trạm 2 là 2 (khoảng cách quy ước) Nếu giá trị là 0 thì là không có khả năng di chuyển
Xây dựng sa bàn cho trường hợp có mặt sàn được mô tả như hình, với khoảng cách giữa các khu để hàng hóa là 2m Do đó, cần 8 trạm dừng cho từng cặp pallet để hàng tương ứng là: 1-2, 3-4, , 15-16.
Hình 3.3 Mặt sàn nhà kho dự kiến Để thể hiện được sa bàn này ta cần xác định số điểm để định vị được vị trí của phương tiện Với mỗi module ray dẫn có chiều dài là 1𝑚 thì ta cần bố trí vị trí các điểm ray và chiều di chuyển được quy định như sau:
Hình 3.4 Bố trí sa bàn bằng các điểm toạ độ theo các đoạn ray
Vậy đối với mặt sàn như trên ta cần 70 module ray dẫn với chiều dài mỗi module là 70 𝑚 cũng như tương ứng với 70 điểm xét vị trí của các phương tiện
8 điểm bao gồm: 2, 10, 18, 26, 31, 39, 47, 55 được gọi là các trạm chính, ở đây có nhiệm vụ nhận hàng, giao hàng của các công việc Ở các điểm này sẽ có một hệ thống khác được sử dụng với mục đích là nhận/ trả hàng hóa cho phương tiện hay có thể là đưa đi tới một điểm bất kỳ nào đó ngoài sa bàn.
Điều phối
Trong quá trình hoạt động, hệ thống cần xác định công việc cho từng phương tiện, vì thế cần có một luật để điều phối công việc phù hợp, giảm thiểu quãng đường di chuyển và tổng thời gian để thực hiện hết các tác vụ
Dựa vào các thông tin về phương tiện và công việc, ta sẽ có thể điều phối được công việc cho các phương tiện một cách hợp lý
Việc chỉ định một công việc cho phương tiện sẽ dựa vào chuỗi các công việc đã được tạo trước ở bước trên Việc xem xét lựa chọn phương tiện phù hợp không chỉ cho các phương tiện đang ở trạng thái idle, mà cho các phương tiện đang trong quá trình di chuyển tới vị trí nhận hàng Việc tính toán thời gian hoàn thành của phương tiện cần được tính toán cẩn thận ngay khi sự kiện xuất hiện Mục tiêu của mô hình là giảm thiểu thời gian hoàn thành tất cả công việc với số lượng phương tiện cần thiết Tuy nhiên, mục tiêu trên không thể trực tiếp đạt được mà nhờ vào các mục tiêu khác như giảm thời gian chờ công việc, deadlocks giữa các phương tiện
Mục tiêu là chỉ định đồng thời một số công việc cho số phương tiện tương ứng khi sự kiện xuất hiện Sự kiện chính là thời điểm phương tiện vừa hoàn thành công việc hiện tại, nói cách khác phương tiện trở nên idle và sẵn sàng nhận nhiệm vụ mới Ngoài ra, những phương tiện đang thực hiện công việc hiện tại có thể tạm thời được chỉ định công việc mới, do đó việc lập lại kế hoạch có thể xảy ra khi một phương tiện khác thích hợp được chọn Vì thế mô hình mong muốn có thể thích nghi với việc thay đổi dữ liệu thường xuyên trong thực tế
3.3.2 Phương pháp chỉ định công việc
Hệ thống xác định phương tiện sẵn sàng (trạng thái nhàn rỗi, lấy hàng) để chỉ định công việc theo thời gian tạo sớm nhất Công việc được chỉ định cho phương tiện tương ứng với giá trị chỉ định c_ja, xác định dựa trên mức độ khẩn cấp và thời gian di chuyển đến điểm lấy hàng Công thức tính dùng phương pháp HABOR (Hungarian algorithm based OHT reassignment).
𝑐 𝑗𝑎 : Giá trị chỉ định của job 𝑗 đối với phương tiện 𝑎
𝑤 1 ,: Trọng số tác động đến sự ảnh hưởng của mức độ khẩn cấp và thời gian di chuyển tới vị trí lấy hàng
𝑊𝑇 𝑗 : Thời gian khởi tạo công việc 𝑗
𝑇𝑑 𝑗𝑎 : Thời gian di chuyển tới vị trí lấy hàng của phương tiện 𝑎 đối với job 𝑗
Kỳ vọng của hệ thống là khi hàm sau đạt giá trị nhỏ nhất:
Khi việc tìm kiếm và chỉ định công việc hoàn thành ta thu được ma trận giá trị, áp dụng Hungarian để tối ưu tổng giá trị chỉ định và thu được chuỗi các công việc tương ứng với phương tiện phù hợp để đạt được mục tiêu của phương trình (1)
Ngoài ra, trong trường hợp tổng số phương tiện nhiều hơn số công việc, cần bổ sung các giá trị ảo vào danh sách công việc để ma trận giá trị C trở thành ma trận vuông Các giá trị ảo này được gán giá trị C_ij rất lớn Sau khi áp dụng thuật toán Hungarian, những giá trị ảo này sẽ không được chỉ định cho bất kỳ phương tiện nào.
Cũng giống như trường hợp số công việc nhiều hơn số phương tiện đang khả dụng thì ta cũng thêm các giá trị ảo của phương tiện để có thể thực hiện được các công việc Vì lúc này các công việc được tạo ở các thời gian gần nhau sẽ xem xét tới mà không bị bỏ qua nếu chỉ sắp xếp theo thời gian khởi tạo công việc ứng với số phương tiện khả dụng
Sơ đồ giải thuật tính ma trận giá trị: Điều phối
A = Số phương tiện đang ở trạng thái rỗi hoặc chưa nhận hàng j = 1 a = 1 Lấy thông tin công việc j
Lấy thông tin phương tiện thứ a Tính giá trị công việc cja a = a + 1 a > N j > N S j = j + 1 Đ
S Áp dụng giải thuật Hungarian để tính tổng giá trị tối thiểu của ma trận vừa tìm được
Kết thúc Đ B= Số công việc cần phải thực hiện
A >= B Thêm số phương tiện ảo cho bằng số công việc, N = B
Thêm số công việc ảo cho bằng số phương tiện, N = A Đ
Hình 3.6 Sơ đồ tính toán điều phối công việc
Sơ đồ giải thuật để tính được tổng giá trị nhỏ nhất bằng phương pháp Hungarian [23]
Tính ma trận giá trị cja
Lấy các giá trị theo hàng/cột trừ đi giá trị nhỏ nhất của hàng/cột đó.
Số lượng đường thẳng khác số hàng ?
Thu được ma trận kết quả
Xác định giá trị nhỏ nhất giữa các giá trị không gạch bởi các đường thẳng Đ
Điểm giao giữa các đường thẳng trên sẽ được cộng thêm với giá trị nhỏ nhất đã tìm trước đó Tìm những hàng chỉ có duy nhất một giá trị 0, rồi kẻ một đường thẳng dọc theo cột có giá trị 0 đó.
Xác định các cột có duy nhất một giá trị 0 sau đó kẻ đường thẳng ngang qua hàng của giá trị 0 đó.
Các giá trị không bị gạch bởi các đường thẳng sẽ bị trừ giá trị nhỏ nhất vừa tìm được
Sau khi thu được ma trận giá trị 𝑐 𝑗𝑎 , Hungarian được áp dụng để tối thiểu tổng giá trị của ma trận 𝑐 𝑗𝑎
Kết quả thu được là dãy các phương tiện được chỉ định với các công việc được lựa chọn và chỉ định công việc cho phương tiện có sự kiện idle Kết thúc quá trình điều phối phương tiện, phương tiện nhận nhiệm vụ mới sẽ được lên hoạch định tuyến đường và lên lịch trình phù hợp (Routing và Scheduling) để phương tiện có thể tránh deadlock và va chạm giữa các phương tiện khác.
Hoạch định
3.4.1 Tránh deadlock khi giao việc
Khi một phương tiện thực hiện công đoạn nhận hàng thì khi đó cần phải một khoảng thời gian để thực hiện xong công việc Với hệ thống ray dẫn đơn thì trong khoảng thời gian này không có một phương tiện nào có thể di chuyển qua vị trí này Hơn nữa trong giải thuật hoạch định chỉ mới dựa trên thời gian mà công việc được khởi tạo và thời gian di chuyển của phương tiện tới vị trí lấy hàng mà chưa xem xét đến thời gian chờ nhận hàng vì thế phải điều chỉnh lại chỉ định công việc giữa các phương tiện gần kề
Có 3 phương tiện V1, V2, V3 đang ở trạng thái Idle, và có liên tiếp 3 công việc được chỉ định là O1, O2, O3 Ở trường hợp các công việc được chỉ định như “unexpected” thì ta có thể thấy khi V1 tới được O1 thì sẽ chuyển trạng thái lấy hàng và các V2, V3 phải đứng lại chờ lấy hàng xong Nếu thời gian lấy hàng này lớn thì có nghĩa thời gian lãng phí trở nên rất nhiều
Thời điểm 1 Thời điểm 2 Thời điểm 3
V1 được chỉ định tới vị trí 1
V2 được chỉ định tới vị trí 1
V2 phải dừng lại chờ tới khi V1 lấy xong tải mới có thể di chuyển
V2 di chuyển tới điểm 2 lấy hàng
Hình 3.9 Deadlock do chờ tải hàng
Trong khi nếu được chỉ định ở trường hợp “expected” thì thời gian chờ sẽ rút ngắn lại Lý do xảy ra hiện tượng này là vì trạng thái 3 xe là như nhau, tổng thời gian
𝑐 𝑖𝑗 là như nhau nên không giải quyết tốt phần này
Theo ví dụ trên, để xác định việc nên giao nhiệm vụ nào cho phương tiện nào cần phải đặt ra các điều kiện cụ thể để thực hiện quá trình trao đổi nhiệm vụ.
Hình 3.10 Điều kiện xác định là deadlock
V1 đang di chuyển tới O1, V2 đang di chuyển tới O2 Điều kiện 2 phương tiện bị deadlock và cần trao đổi lại công việc cho nhau:
1 Cả 2 phương tiện đang ở trạng thái đi lấy hàng (chưa loading)
2 Khoảng cách của 2 phương tiện (𝑑4) nhỏ hơn “thời gian lấy hàng” x “vận tốc”
Lấy thông tin của phương tiện trên một đường ray
Sắp xếp theo thứ tự di chuyển
Thỏa điều kiện deadlock? Đổi công việc giữa hai phương tiện Chưa quét hêt các cặp xe?
Lấy thông tin của 2 phương tiện cần xét Đ
Hình 3.11 Giải thuật giảm thiểu deadlock 3.4.2 Giải quyết tranh chấp khi bị chiếm chỗ
So sánh độ ưu tiên của 2 phương tiện
V1 có độ ưu tiên thấp hơn nên phải ra khỏi vùng di chuyển của V2
Hình 3.12 Hiện tượng tranh chấp Đặc trưng của di chuyển trên ray là vấn đề chiếm chỗ lẫn nhau giữa các phương tiện, để một phương tiện có thể di chuyển tới vị trí lấy hàng/ trả hàng thì trong lúc đó phải điều động các phương tiện đang ở trạng thái rỗi di chuyển ra khỏi vị trí cần tới
V2 đang ở trạng thái giao hàng tới vị trí của công việc A nhưng khi đó có các V1 đang ở trạng thái Idle và chiếm đường đi của V2, vì thể phải thay đổi lại vị trí mong muốn của V1 là ra khỏi đoạn đường di chuyển của V2 Để không phải tái điều phối và chỉ định lại công việc cho từng phương tiện thì đối với các phương tiện đang ở trạng thái đã lấy hàng luôn có quyền yêu cầu các phương tiện đang ở trạng thái Idle ra khỏi vùng di chuyển của mình để đi tới vị trí mới
Một số trường hợp tránh các xe đang thực hiện công việc bằng cách di chuyển tới vùng không tranh chấp Khi V2 muốn di chuyển tới điểm mong muốn thì:
V1 phải di chuyển tới vị trí 2
V1 phải di chuyển tới vị trí 8
V1 phải di chuyển tới vị trí 4
V1 phải di chuyển tới vị trí 3
Hình 3.13 Các trường hợp tranh chấp
Lấy thông tin phương tiện bị chiếm chỗ, và chiếm chỗ
Lấy thông tin thông tin công việc đang thực hiện Độ ưu tiên cao hơn?
Xác định vị trí của phương tiện bị tranh chấp (A) và phương tiện đã chiếm chỗ (B)
Xác định điểm đến mong muốn của A là C
Nếu B không trùng C? Chỉ định B tới vị trí C + 1
Lập danh sách các điểm của xe B để đi tới
Lập danh sách điểm giao nhau có thể sử dụng để ra khỏi phạm vi di chuyển của A
Xét chiều di chuyển của xe và chỉ định xe
B tới vị trí nằm ngoài phạm vi di chuyển của A tại điểm giao đã xác định được Tìm điểm thoát gần nhất trong danh sách các điểm thoát Đ
Hình 3.14 Giải thuật giải quyết tranh chấp
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Mô phỏng
Trong quá trình vận hành, cần xác định số lượng phương tiện cần thiết để thực hiện số lượng công việc Mục tiêu là giảm thiểu tổng thời gian thực hiện công việc Vì thế áp dụng Hungarian để giảm thiểu ma trận giá trị của phương tiện dựa trên ma trận quãng đường để lần lượt chỉ định công việc cho các phương tiện
4.1.1 Thiết lập môi trường mô phỏng Ứng với mỗi trạm cách đều nhau, ta quy định 1 khoảng thời gian đi từ trạm này tới trạm kia là 1 bước Ta có bảng đối chiếu sau:
Bảng 4.1 Bảng quy đổi thời gian giữa các sự kiện
Thời gian quy ước Giá trị (bước)
Di chuyển qua một trạm 1
Thời gian lấy hàng (Loading) 5
Thời gian trả hàng (Unloading) 5
Sơ đồ sa bàn và chiều di chuyển được vẽ bằng Matlab với số trạm là 8 Hệ thống di chuyển qua tổng cộng 70 điểm với 3 cặp đường nối để giảm thiểu quãng đường di chuyển tương ứng với dạng ray dẫn là “Conventional guide-path”
Hình 4.1 Sơ đồ sa bàn được vẽ bằng Matlab
Tiếp cần phải khởi tạo danh sách công việc cần thực hiện Dựa vào nhu cầu vận chuyển hàng hóa tại một kho cụ thể, ta xem xét các trường hợp có 10 công việc cùng một lúc có các đặc tính về thời gian khởi tạo, vị trí đầu cuối khác nhau để xem số lượng phương tiện phù hợp cho mỗi trường hợp Đánh giá thời gian thực hiện tất cả công việc và tổng quãng đường của tất cả các phương tiện di chuyển đối với các trường hợp 1 phương tiện tăng dần tới 10 phương tiện
Danh sách công việc được tạo ngẫu nhiên với số công việc có thể lên tới 𝑛 công việc Nhưng luận văn giả định có trường hợp các phương tiện phải giải quyết 12 công việc được tạo liên tiếp nhau, từ đó xác định được số lượng phương tiện cần thiết
Bảng 4.2 Dữ liệu công việc để mô phỏng
Số thứ tự Vị trí nhận hàng Vị trí trả hàng Thời gian khởi tạo
4.1.2 Kết quả mô phỏng Để có thể dễ dàng quan sát được kết quả của giải thuật tránh deadlock khi giao việc, tranh chấp chiếm chỗ thì ta sử dụng bảng công việc và sa bàn thu gọn Sau đó mô phỏng giải thuật với công việc và sa bàn được nêu tại mục 4.1
4.1.2.1 Trường hợp tránh deadlock khi sắp xếp công việc
Ví dụ về trường hợp trao đổi các công việc khi thỏa điều kiện deadlock do quá trình nhận, giao hàng
Giả sử vị trí hiện tại của 3 lần lượt là 1, 2, 3 Có các công việc được yêu cấu có vị trí lấy hàng là 8, 9, 10
Bảng 4.3 Công việc để kiểm tra tránh Deadlock
Công việc Vị trí nhận hàng Thời gian khởi tạo
Hình 4.2 Trường hợp có thể tạo deadlock do điều phối chưa hợp lý
Khi đó ma trận giá trị trong trường hợp này là:
1079 1069 1059 Ma trận phân bổ công việc cho thấy rằng tất cả các trường hợp đều đạt kết quả là 3247 Tuy nhiên, như đã phân tích, thời gian nhận/dỡ hàng tăng sẽ dẫn đến lãng phí Do đó, một giải thuật hiệu quả hơn được áp dụng để phân bổ công việc tối ưu hơn.
Bảng 4.4 Bảng chỉnh định công việc khi kiểm tra tránh Deadlock
Phương tiện Công việc được chỉ định Công việc sau khi trao đổi
Kết quả cho thấy cả 3 phương tiện có thể nhận hàng gần như cùng lúc mà không rơi vào tình trạng đợi chờ nhau
Hình 4.3 Kết quả của trường hợp deadlock
Hình 4.4 Đồ thị so sánh giữa có xử lý và không xử lý deadlock
Hình trên là đồ thị so sánh khác biệt khi xử lý và không xử lý các trường hợp deadlock này tới thời gian thực hiện công việc của hệ thống Màu đen biểu thị khi chưa có xử lý các tình huống deadlock, màu xanh là có xử lý Ta nhận thấy về mặt thời gian đã có giảm tổng thời gian hoàn thành công việc
Về tổng quãng đường di chuyển thì hầu như không có sự chệnh lệch khi so sánh
Thời gian thực hiện các tác vụ đã giảm khi có thêm giải thuật trao đổi công việc tránh tình trạng deadlock
4.1.2.2 Xử lý trường hợp tranh chấp vị trí
Khi có một phương tiện bị một phương tiện khác chiếm trạm trước, phương tiện đó yêu cầu phương tiện trước đó ra khỏi vùng di chuyển của nó
Bước 1: V1 nhận hàng từ vị trí S1 và muốn di chuyển tới S7, trong khi đó đã bị V2, V3 chặn ở các vị trí S2, S3
Bước 2: V2 di chuyển ra khỏi vùng di chuyển của V1 bằng cách vô các đường tắt gần nhất
Bước 3: V3 cũng di chuyển ra khỏi đường đi của V1 tại điểm giao gần nhất.
Bước 4: V1 tới vị trí mong muốn là S7.
Hình 4.5 Các tình huống chiếm vị trí
Ví dụ hình dưới đây là trường hợp có 4 phương tiện, V1 muốn di chuyển tới S2 để giao hàng thì đã có 3 phương tiện đã ở trạng thái nhàn rỗi, và chiếm chỗ di chuyển, vì thế phải yêu cầu 3 phương tiện đó ra khỏi vị trí để hoàn thành tất cả công việc
Hình 4.6 Ví dụ xử lý chiếm chỗ ngay tại vị trí giao hàng
V2,3,4 đã ra khỏi vị trí S2 để cho V2 có thể giao hàng
Hình 4.7 Xử lý trường hợp phương tiện bị chiếm tại vị trí giao hàng
4.1.2.3 Kết quả mô phỏng tổng quát hệ thống
Kết quả mô phỏng cho từng trường hợp khi tăng dần giá trị đóng góp 𝑤 1 từ 0 tới
1 và thay đổi số phương tiện từ 1 tới 10 ta thu được hai biểu đồ sau:
Hình 4.8 Thời gian thực hiện công việc khi thay đổi 𝑤 1 và số phương tiện
Bảng 4.5 Bảng thời gian thực hiện với mỗi trường hợp
Hình 4.9 Tổng quãng đường khi thay đổi 𝑤 1 và số phương tiện
Bảng 4.6 Bảng thời tổng quãng đường di chuyển với mỗi trường hợp
Dựa vào kết quả mô phỏng ta nhận thấy sơ đồ số lượng phương tiện ảnh hưởng tới cả hệ thống Khi số lượng phương tiện tăng dần thì thời gian thực hiện giảm, nhưng
10 364 345 342 342 364 364 343 345 362 366 464 tới ngưỡng nào đó thì các thông số ở đây bắt đầu ổn định và có chiều hướng gia tăng lý do là do hiện tượng deadlock gây nên khi có quá nhiều phương tiện trên ray dẫn
Hệ số 𝑤 1 tăng đồng nghĩa với ưu tiên chọn công việc theo thời gian được khởi tạo nên thời gian hoàn tất tổng quãng đường di chuyển có xu hướng tăng, tuy nhiên khi chỉ định công việc dựa trên quãng đường gần nhất tới công việc thì tổng quãng đường có xu hướng giảm Nhận thấy ở 𝑤 1 = 0.7 ta thu được kết quả trung hòa nhất
Biểu đồ chi tiết khi chạy kết quả mô phỏng với hệ số giá trị 𝑤 1 = 0.7 Ta thu được kết quả như sau:
Hình 4.10 Kết quả mô phỏng với 𝑤 1 = 0.7 Đặc biệt tại trường hợp 5 cho tới 10 số lượng phương tiện thì hầu như chỉ có tổng quãng đường di chuyển tăng do tình trạng deadlock xuất hiện, nhưng thời gian làm hết các tác vụ là gần như nhau Vậy nếu đối với trường hợp các công việc được đề cập tại bảng 4.2 thì 5 phương tiện sẽ hoạt động tốt nhất nếu xét đến cả quãng đường và thời gian thực hiện Mặc dù ở trường hợp 5 phương tiện không phải là thời gian ngắn nhất để hoàn thành công việc nhưng so với sử dụng 1 phương tiện thì bằng quãng đường di chuyển nhưng thời gian hoạt động giảm gần 4 lần
Thông qua kết quả mô phỏng ta thấy rằng, tương với mỗi trường hợp số lượng công việc thì giải thuật lại có một số lượng phương tiện đáp ứng tốt nhất là khác nhau
Vì thế khi triển khai thực tế thì việc quyết định bố trí, thời gian phân bổ các công việc là vô cùng cần thiết Khi các bộ thông số đều được làm rõ và cố định thì sẽ xác định được giải thuật phù hợp với số lượng phương tiện tốt nhất dành cho hệ thống
Ngoài ra việc lựa chọn số phương tiện phải phụ thuộc vào chi phí sản xuất, hoạt động, bảo dưỡng.
Đánh giá kết quả
Đề tài đã xác định được mối quan hệ giữa các yếu tố sau ảnh hưởng tới hệ thống vận chuyển này là:
- Số lượng phương tiện cần thiết để hoàn thành 𝑛 công việc cùng lúc
- Ảnh hưởng của sơ đồ sa bàn đối với các đặc tính của hệ thống
- Thời gian dự tính thực hiện xong 𝑛 công việc khi sử dụng 𝑎 phương tiện
- Tổng quãng đường mà tất cả phương tiện phải di chuyển
Qua đó ứng với mỗi trường hợp cụ thể có thể xác định đâu là lựa chọn phù hợp nhất để có thể áp dụng thực tế để nâng cao hiệu suất và tránh được lãng phí
Tuy nhiên, việc quản lý và điều phối phương tiện chưa đánh giá tới các yếu tố khác cũng gây ảnh hưởng tới hệ thống như: quản lý pin, thiết kế thêm các đường né giảm thiểu deadlock, …
TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Tổng kết
Luận văn đã thực hiện được việc lựa chọn số lượng phương tiện tương ứng với sơ đồ triển khai sa bàn phù hợp để thực hiện các tác vụ nhằm giảm thiểu thời gian chạy hoàn tất công việc và giảm thiểu tình trạng block lẫn nhau và tránh né ở các tình trạng tranh chấp vị trí
Giao diện giúp quan sát được vị trí các phương tiện ở thời điểm tương ứng từ đó dễ dàng quan sát và phát hiện các điều bất thường trong quá trình chạy mô phỏng
Mặc dù bỏ qua các trạng thái như kiểm soát pin, dự đoán công việc, đánh giá hiệu quả hệ thống vẫn chưa thực sự chính xác Tuy nhiên, các yếu tố này sẽ được phát triển thêm khi áp dụng vào thực tế.
Hướng phát triển đề tài
Đề tài hiện nay chỉ dừng lại ở việc điều phối và quản lý phương tiện để hoàn thành hết công việc Vì thế hướng phát triển đề tài là nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố khác tới hệ thống như quản lý pin, khả năng đáp ứng của điện, cơ khí để dần có thể ứng dụng vô hình và sử dụng trong thực tế đối với các kho hàng, vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, …